6. Ресурсы нефти и природного газа

Происхождение и закономерности распространения. Важными источниками энергии являются нефть и газ. Газ делят на природный (образует самостоятельное скопление в виде газовых месторождений) и попутный (находится в нефти в растворенном состоянии; на 1 т нефти попутно добывают 100 — 150 м³ газа).

Помимо нефти и газа выделяют еще газоконденсат, который является смесью нефти и газа — природной системы взаиморастворенных газообразных и легкокипящих жидких нефтяных углеводородов, находящихся в глубинах Земли. Охлаждение и снижение давления приводят к выпадению из этой системы жидкой фазы — конденсата, в связи с чем газоконденсат в расчетах в последние годы обычно дается вместе с нефтью (нефть и газоконденсат).

Нефть — это маслянистая темно-коричневая жидкость с красноватым или зеленоватым оттенком, иногда черная, красная, синяя или светлая и даже прозрачная (светло-коричневая) с характерным резким запахом. Бывает нефть белая или бесцветная как вода (например, в Суруханском месторождении в Баку, в некоторых месторождениях Алжира). В более редких случаях нефть очень плотная, полутвердая (в ней много парафина). Различают легкие (плотность менее 0,9 г/см³) и тяжелые нефти. Нефти с более высокой плотностью до 1,04 г/см³ редко встречаются (например, в месторождениях Калифорнии). Как правило, светлые нефти (легкие разновидности) в значительной мере содержат

127

бензин, керосин. Из тяжелой нефти получают различные смазочные вещества (тракторное горючее, битум, мазут, масла). Легкие нефти извлекаются насосами, иногда фонтанным способом, а очень тяжелые — даже шахтным (например, нефть Ярегского месторождения в Республике Коми).

Температура застывания нефтей колеблется от +11°С до –20°С. Легкие нефти начинают кипеть при температуре ниже 100°С, тяжелые — выше. В отличие от других полезных ископаемых нефть и газ не образуют самостоятельных пластов, они заполняют пустоты (поры между песчинками, трещины) в породах. Их залежи принимают форму вмещающих отложений.

По составу нефть — смесь углеводородов (парафины, нафтены, ароматические углеводороды). Основные сорта нефти содержат 80 — 87% углерода, 10 — 14% водорода, 0 — 5% серы, 0 — 3% кислорода, 0 — 2% азота.

Нефть — универсальное топливо, ее теплота сгорания 37,6-49,3 МДж/кг (чем меньше плотность нефти, тем больше она выделяет тепла при сгорании). Так, 10 т нефти дают столько же тепла, сколько 13 т антрацита, 31т бурого угля, 34 т дров. Нефть очень горюча. Она сохраняет это свойство, даже находясь на поверхности воды (океана, моря, озера, реки), где способна воспламениться от горящего факела, пока не растечется в тончайшую радужную нефтяную пленку. Однако в реальных условиях волны постоянно сбивают пламя с растекающейся нефти, поэтому нефтяных пожаров в океане на поверхности воды практически не бывает. Нефть и газ имеют осадочное происхождение, накапливаются в осадочных породах, покрывающих устойчивые участки Земли (древние и молодые платформы, их плиты), и приурочены к предгорным впадинам и краевым прогибам. Промышленные месторождения нефти и газа известны в самых различных отложениях — от докембрия до неогеновых толщ.

Интерес представляет вопрос о происхождении нефти. Впервые он возник, вероятно, в начале нашей эры. И уже тогда, как отмечал Плутарх (96 — 127 гг.), он «вызывал горячие споры». О чем спорили соотечественники Плутарха, нам неведомо, но о самой сущности происхождения нефти, органическом или неорганическом, и по сей день не умолкают споры. Вернемся к нашему времени. Более 110 лет назад немецкий химик Карл Энглер (в 1890 г.) предложил гипотезу об органическом происхождении нефти. Эту гипотезу до наших дней поддерживает большинство ученых; ее разработкой занимался и советский академик Н.М. Губкин. Гипотезу происхождения нефти абиогенным путем развивают также многие крупные ученые, среди которых почетное место занимает Д.И. Менделеев. Он первым получил в своей лаборатории из неорганических веществ нефтяные углеводороды.

Сторонники органического происхождения нефти считают, что образуется она из растительных и животных остатков, накапливающихся на морском дне вместе с осадочными породами. Сегодня известно, что в недрах планеты находится примерно от 2 х 10¹⁶ до 3 х 10¹⁷т отмерших организмов. Эти накопления представлены главным образом простейшими организмами, скопившимися за последние полмиллиарда лет, т. е. за 1/9 часть истории Земли. Эти растительные и животные остатки, отмирая и скапливаясь на морском дне («дождь трупов»), подвергались переработке микроорганизмами. Некоторые

128

аэробные бактерии извлекают кислород, азот, фосфор, серу из органических веществ, увеличивая таким образом относительный уровень углерода и водорода; иные бактерии сами производят природный газ метан и т. д. Переход органического вещества в нефть, очевидно, совершается на глубинах от 2,5 до 6 км при температуре 60-160°С («главная зона нефтеобразования»), при естественной дистилляции, почти без доступа кислорода и при высоком давлении. Возможно, здесь происходит дополнительный привнес водорода из глубинных источников.

На преобразование вещества, очевидно, оказывают влияние какие-то катализаторы. Влияет и время, длительность которого исчисляется в десятках и сотнях миллионов лет. В результате всех этих сложных преобразований рождается так называемая рассеянная нефть или микронефть. Обычно содержание микронефти в захороненных ископаемых организмах принимают равным 3%, а это уже 9 х 10¹⁴ т, или 900 трлн. т, что примерно в 3000 раз больше, чем предполагаемые запасы нефти в земной коре по самым смелым современным расчетам. Микронефть связана исключительно с глинистыми и известковыми (в особенности рифовыми) породами. В разных лабораториях мира из 1 т таких пород удавалось «выжать» 23 до 10 кг рассеянной нефти. Этот факт и является основным аргументом сторонников органического происхождения нефти.

Нефть и газ образуются в материнских породах (известняки и темноокрашенные за счет органики глины в нефтепроизводящих районах), а затем перетекают и скапливаются в промышленных количествах в так называемых коллекторах (пористых и проницаемых породах). Здесь эти ископаемые перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, пока не попадают в так называемые структурные ловушки. В этих ловушках, когда коллектор снизу и сверху ограничен водоупорными слоями (чаще глинами), происходит скопление нефти и газа, выжимаемых снизу подземными (чаще солеными) водами (рисунок).

В этих структурных ловушках газ, нефть и вода залегают отдельными слоями, поскольку нефть не растворяется в воде и легче ее, газ растворим в очень малой степени и располагается над нефтью. В 1 м³ песчаника содержится до 130—250 кг нефти.

Все это лишь предположения. Миграция микронефти в коллекторы, а по ним в структурные ловушки — самое необъяснимое явление, которое пока никто не наблюдал и никто из сторонников органической теории нефти не доказал.

Сторонники неорганического происхождения нефти объясняют этот процесс таким образом: в глубинах мантии Земли под действием огромных температур из углерода и водорода образуются углеводородные радикалы; они поднимаются в верхние слои Земли (возможно, по глубинным разломам), где, соединяясь с водородом, образуют различные нефтяные углеводороды. Эти соединения и скапливаются в структурных ловушках. Доказательством является то, что нефть открыта в трещинах мантийных пород на дне Индийского океана, в фумаролах и кратерах вулканов Камчатки. Некоторые исследователи считают, что нефть имеет даже космическое происхождение.

129

История формирования и использования месторождений нефти и газа. С одной стороны, нефть и газ встречаются вместе и имеют одно происхождение, а с другой — открывались они в разное время и использовались по-разному. Так, если нефть известна человеку уже около восьми тысячелетий, то газ стал применяться практически лишь в последние десятилетия. Поэтому с давних пор говорят об открытии нефтяных месторождений, о происхождении нефти и ее использовании и не говорят «о происхождении нефти и газа» или «об использовании человеком прошлого ресурсов нефти и газа». С нефтью человек познакомился давно. Сведения о ней пришли к нам с Ближнего Востока. Археологические раскопки свидетельствуют о том, что еще в долине реки Евфрат нефть и продукты ее окисления (асфальты и др.) люди добывали 8-6 тысячелетий назад. Древние шумеры использовали битум вместо связующего раствора в кладке, как клей для закрепления кремневых лезвий в орудиях труда и аппликаций в великих городах индийской цивилизации (5 тыс. лет назад), тесно связанной с ближневосточной. Битумом покрывали дно бассейнов. Применяли битум для предохранения от гниения деревянных балок, дверных и оконных блоков и т. п. Знамениты круглые блюдцеобразные лодки Междуречья — гуффы. С незапамятных времен их плели из прутьев, а затем обмазывали асфальтом для водонепроницаемости. В Древнем Египте асфальт применялся для бальзамирования мумий. Известно, что вавилонские и египетские жрецы использовали нефть для огненных надписей и знаков на стенах своих обителей.

Нефть применялась в древней медицине как средство для заживления ран и язв, для лечения глазных болезней и т. д. В Вавилоне ею освещали улицы. Имеются сообщения древних историков, философов, географов Геродота, Страбона, Диодора о природных источниках нефти в Италии (в том числе и на о-ве Сицилия), на Балканах, в Албании. Добывали ее и на Апшеронском полуострове, где использовали её в своих храмах огнепоклонники. С прорывом нефтяных фонтанов и пожарами некоторые ученые связывают описываемую в Библии и широко известную гибель Содома и Гоморры. Здесь же в Ветхом Завете есть упоминание о том, как во время одной из стычек в долине Мертвого моря двое местных «царей», преследуемых праотцом Авраамом, упали в «смоляные ямы» и утонули. «Смоляные ямы» — это асфальтовые озера, природные выходы нефти на поверхность. Например, в США, такие озера есть в районе Лос-Анджелеса. Они «манили» к себе животных в течение многих миллионов лет. Дело в том, что выглядят эти озера внешне вполне безобидно: асфальт находится внизу, а сверху тонкий слой воды, но достаточно было подойти животному близко к берегу, как он увязал в асфальте и его засасывало. Эти асфальтовые ямы «подарили» нам сотни хорошо сохранившихся (асфальт — инертная среда, как янтарь, как вечная мерзлота) скелетов гигантских ленивцев, саблезубых тигров и других позвоночных животных.

Мировые запасы. На начало 2001 г. подтвержденные запасы нефти и газоконденсата оценивались в 155,4 млрд. т. По данным компании «Бритиш Петролеум», при современном уровне добычи разведанных запасов человечеству хватит нефти на 40 лет и неполных 4 месяца; в более выгодном положении — страны ОПЕК, где нефти хватит на 77 лет, при этом Кувейту, ОАЭ

130

и Ираку — более чем на 100 лет.

Американский ученый-нефтяник М.Т. Хэлбути в докладе, сделанном на пленарном заседании 27-го Международного конгресса в Москве в августе 1984 г. убедительно показал, что главные нефтегазоносные богатства человечество еще не открыло: сегодня известно около 160 нефтегазоносных бассейнов, на самом деле на Земле их не менее 600. Значит 440 практически еще не открыты или не изучены в достаточной степени.

Залежи нефти и газа располагаются в основном на глубинах, превышающих 3 км, где первичное вещество в условиях температуры 100°С и высоких давлений преобразуется в углеводороды. Поиски же нефти с помощью буровых работ все предыдущие годы велись обычными мелкими скважинами.

Мировые доказанные запасы природного газа на начало 2001 г. оценивались в 154,5 трлн. куб. м ³

Пространственное распространение и факторы, его определяющие. Региональное распределение мировых подтвержденных запасов нефти: на Евразийском континенте (страны Ближнего и Среднего Востока) — 94,3 млрд. т (60,7% от общемировых запасов); Россия — 15,1 млрд. т (оценка); прочие страны, входившие в СССР, — 2,7 млрд. т; прочие страны зарубежной Азии — 7,5 млрд. т; прочие страны зарубежной Европы — 2,6 млрд. т; Южная и Центральная Америка — 13,2 млрд. т; Африка — 11,9 млрд. т; Северная Америка — 7,6 млрд. т; Австралия и Океания — 0,5 млрд. т.

Наиболее богаты 12 стран, где размещено 87% мировых подтвержденных запасов нефти, это: Саудовская Аравия — 36,3, Ирак — 15,4, Россия — 15,1, Кувейт — 13,5, Иран — 13,2, Объединенные Арабские Эмираты (ОАЭ) — 13,4, Венесуэла — 10,5, Китай — 4,2, Ливия — 4,1, Мексика — 3,9, Нигерия — 3,3, США — 3. Страны Персидского залива лидируют в мире по количеству запасов нефти и газоконденсата на душу населения: в Кувейте оно составляет 7095 т, в ОАЭ — 4322 т, Саудовской Аравии — 1786 т (для сравнения: в США — 10,6т).

Из мировых запасов газа 36% приходится на Ближний и Средний Восток (Иран — 17, Катар — 7,3, Саудовская Аравия — 3,9), 30,7%— на Россию, 5,5 — на прочие страны, входившие в СССР (Туркмения — 1,8, Узбекистан и Казахстан — по 1,2), 9,3%— на страны Северной и Южной Америки (США — 3,1, Венесуэла — 2,7, Канада — 1,1), 7,5%— на страны Африки (Алжир — 2,9, Нигерия — 2,3), около 3%— на страны зарубежной Европы, остальные 8%— на страны Южной Азии, Австралию и Океанию.

В России известно более 2 тыс. месторождений нефти и газа, размещающихся в Волго-Уральском, Северо-Кавказском, Западно-Сибирском и Восточно-Сибирском нефтегазоносных провинциях и в отдельных нефтегазоносных областях — Тюмено-Печорской, Ангаро-Ленской, Вилюйской (газоносной), Сахалинской. Главные запасы нефти сосредоточены в Волго-Уральской провинции и на юге Западно-Сибирской, газа — на севере Западной Сибири и Предкавказье.

В мезозойских отложениях Западно-Сибирской плиты разведано более 450 залежей нефти, газоконденсата и газа. Первые промышленные притоки газа были получены в 1953 г. В 1962 г. на севере Тюменской области открыто первое уникальное Тазовское месторождение газа, несколько позже, такие как

131

Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье, Губкинское Самотлорское газовые и нефтяное месторождения. В 1963 г. введено в эксплуатацию Березовское газовое, а в 1964 г. — Усть-Балыкское, Трехозерное и Мегионское нефтяные месторождения.

Волго-Уральская нефтегазоносная провинция размещена между Волгой и Уралом и занимает территорию юго-восточной части Восточно-Европейской платформы и краевую часть Предуральского краевого прогиба. Их использование началось с открытия в 1929 г. нефтяного месторождения у пос. Чусовские Городки (у Соликамска) и в 1932 г. в Ишимбаевском районе у г. Уфы. Промышленные запасы нефти и газа приурочены к верхнепалеозойским отложениям (девон — пермь); наибольшие запасы нефти сосредоточены в девоне и нижнем карбоне. Если нефть известна всюду на территории провинции, то газ преобладает в Саратовско-Волгоградском Поволжье и Предуральском прогибе.

Тимано-Печорская область представляет собой как бы северное продолжение Волго-Уральской провинции. Большие перспективы вырисовывались здесь после 1962 г., когда были открыты месторождения Вуктыльское газовое и нефтяные Западно-Тэбукское и Пашнинское.

Из остальных нефтегазоносных территорий России выделяют Северно-Прикаспийскую провинцию, приуроченную к мезозойским отложениям (месторождения Кенкияк и др.), о-в Сахалин с продуктивными миоценовыми толщами (35 нефтяных и газовых месторождений).

В 1860 г. на Земле было добыто 5 тыс. т. нефти, а в 1910 г. только в России добывалось около 10 млн. т. Первая нефтяная скважина в мире пробурена в 1848 г. Именно с этой скважины, как принято считать, и начинается промышленная добыча нефти в мире. Хотя, как отмечено выше, это произошло в 1745 г. на Севере европейской части России, где промышленную добычу и переработку нефти начал вести архангельский промышленник и рудоискатель Ф.С. Прядунов. С того времени и до настоящего добыто человечеством около 120 млрд. т нефти.

При современном уровне добычи (около 3,3 млрд. т в год) из недр Земли извлекается ежегодно примерно 2,1% подтвержденных запасов нефти. Мировая добыча нефти на начало 2001 г. составила 3386,3 млн. т, из них на страны ОПЕК приходилось 1457 млн. т (42%). Наиболее крупные нефтедобывающие страны: Саудовская Аравия — 415 млн. т, Россия — 323 млн. т, США — 291 млн т, Иран — 184 млн. т, Венесуэла — 167 млн. т, Китай — 162 млн. т, Норвегия — 161 млн. т, Мексика — 150 млн. т, Ирак — 128 млн. т, Великобритания — 126 млн. т, ОАЭ — 111 млн. т, Кувейт — 104 млн. т, Нигерия — 101,5 млн. т, Канада — 108 млн. т. На эти 14 стран, с более чем 100-миллионной добычей нефти каждая, приходится почти 3/4 всей мировой нефтедобычи.

Товарная добыча природного газа на начало 2001 г. составила 2582 млрд. куб. м, общая (валовая) добыча, включающая газ, закачиваемый обратно в пласт (для поддержания давления в нефтеносных пластах), и промысловые потери — 3 трлн. куб. м. Ведущими странами по товарной добыче газа являются: Россия — 571 млрд. куб. м (оценка), США — 570

132

млрд.куб.м, Канада — 200 млрд. куб. м, Великобритания — 110 млрд. куб. м. На долю этих 4 стран приходится 56% мировой добычи. Относительно высок уровень добычи в Алжире (89), Индонезии (74), Нидерландах (73), Иране (70), Узбекистане (56), Норвегии (53), Саудовской Аравии (49), Туркменистане (47). Всего на долю 12 стран-лидеров приходится более 3/4 мировой добычи газа.

У основных экспортеров нефти стран ОПЕК, расположенных на побережье Персидского залива, каждая из скважин дает ежегодно в среднем от 70 тыс. т (Кувейт) до 220 тыс. т (Саудовская Аравия), тогда как скважины на нефтяных промыслах США имеют средний годовой дебит около 530 т. Высок этот показатель у Норвегии — на каждой из 742 скважин страны в среднем ежегодно добывают около 215 тыс. т нефти (4,3 тыс. барр./сут).

Цена на нефть на мировом рынке испытывает постоянные колебания — «скачки» и «провалы», — обусловленные главным образом политическими причинами, и в частности ценовой политикой ОПЕК, ее решениями об ограничении либо, наоборот, увеличении производства и соответственно экспорта нефти.

Спрос на нефть на рынке в свою очередь определяется как темпами роста мировой экономики, так и зависит от погодных условий: потепление климата в Северном полушарии, мягкие погодные условия в зимний период ослабляют спрос на топливо, то есть нефть и нефтепродукты. Среднегодовые цены на нефть на мировом рынке в 1997 — 2001 гг. колебались от 15,36 долларов за баррель (1 баррель — около 136 кг) до 27,63, достигнув суточной рекордной отметки в 37 долларов за баррель (приблизительно 270 долларов за тонну).

Методика добычи и дальнейшей переработки. Ресурсосберегающие технологии. В раннем Средневековье нефть добывалась из колодцев, затем появляются первые скважины глубиной до 200 — 300 м в Северной и Средней Италии, в Германии (в Китае бурение известно было еще до н.э.). На Украине, в Прикарпатье, добывают нефть с начала XVIII в. В XVIII— начале XIX в. появляются первые асфальтированные улицы в Париже и Петербурге.

Однако широкую популярность нефть приобрела, во-первых, благодаря использованию нефтепродуктов для освещения, изобретению керосиновой лампы и связанным с этим технологическим разработкам методов перегонки нефти, известных еще в Средневековье. Уже в 1745 г. на р. Ухте на Севере России архангельским промышленником и рудоискателем Ф. С. Прядуновым был построен первый в мире нефтеперегонный завод, на котором ежегодно перерабатывалось до 27 т вязкой ухтинской нефти; из которой получали 16 т керосина. В 1848 г. появляется первая промышленная нефтяная скважина в Баку. Затем в 90-е гг. XIX в. разрабатывается технология выработки смазочных масел, анилиновых красителей и т. д. Во-вторых, нефть стала необходима для разработанного к концу XIX в. двигателя внутреннего сгорания (Россия) и дизеля (Германия). В-третьих, в начале XX в. нефть становится универсальным топливом. Важную роль в этом процессе сыграл изобретенный инженером В. Г. Шуховым крекингнефти.

В 30-е и особенно в 40 — 50-е гг. XX столетия получает широкое развитие химия полимеров: пластмасс, синтетических каучуков, смол и др.

133

Одновременно нефть и природный газ продолжали использовать и как топливо. Сегодня пришли в жесткое столкновение две стороны нефтеиспользования, — еще Д.И. Менделеев, предрекал около века назад, что «топить нефтью все равно, что топить ассигнациями».

Нефть используют после обогащения (удаления воды, вредных примесей), она подвергается перегонке на фракции: при нагревании до 40 —180°С выделяются пары авиабензина, при 180 — 200°С — автобензина и лигроина, при 200 — 300°С — керосина, 270 — 350°С — газойля. После светлых нефтепродуктов выделяются вначале мазут, а затем гудрон. Всего из нефти производят более 560 различных нефтепродуктов.

Нефть и ее продукты являются основой энергетики всех отраслей хозяйства, широко используются в химической промышленности (для производства пластмасс, синтетического каучука, синтетических волокон, жиров, спирта, органических кислот, растворителей), из нефти получают различные смазочные материалы и индустриальные масла, а также белки, входящие в состав животных и растительных пищевых продуктов. Известна и лечебная нефть, богатая нафтеновыми и ароматическими углеводородами, с незначительным содержанием в ней легких фракций.

Попутный и природный газы состоят из углеводородов с примесью азота, углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргона и гелия. Газ — наиболее экономичный вид топлива, теплотворная способность его поднимается до 41,8 МДж/м³. Он используется в качестве топлива промышленными предприятиями черной металлургии, цементной промышленности, электростанциями, для удовлетворения коммунально-бытовых нужд населения. Газ широко применяется в качестве сырья для производства синтетических волокон, каучука, пластмасс, спиртов, жиров, азотных удобрений, аммиака, ацетилена, взрывчатых веществ, медикаментов. Из 1000 м³ попутного нефтяного газа, (в состав которого входят 40 — 50% метана и пропана, до 20 — 60% бутана, пентана и высших углеводородов) можно получить 200 кг ценных полимерных материалов, в том числе до 40 кг каучука, 150 кг синтетических спиртов и т. д.

Применение газа в качестве топлива позволяет экономить уголь, а более простая транспортировка его (по трубопроводам) разгружает транспортную сеть и удешевляет транспортные расходы на энергетическое сырье. Использование газа в химической промышленности позволяет экономить многие миллионы тонн зерна, картофеля, сотни тысяч тонн растительных масел.